بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه کشورها جهت حفظ سرمایهها و منابع ملی خود توجه ویژهای به پدافند غیرعامل دارند و در راهبرد دفاعی خود جایگاه خاصی برای آن قائل هستند. بررسی و تحلیل رفتار سازهها در برابر انفجار از اهمیت ویژهای برخوردار است. فلسفه طراحی سازههای امن در برابر انفجار به حداقل رساندن خسارتهای احتمالی است.
یکی از این راهکارها استفاده از سازه های مدفون و بهرهگیری از خاک روی آنها برای استهلاک انرژی ایجادشده از بار انفجاری است. در این پژوهش یک سازه دوطبقه با دیوارها و دالهای بتنی مسلح که در عمق زمین اجراشده است بهصورت سهبعدی موردبررسی قرارگرفت.
خاک محل بهعنوان یکی از ابزارهای جذب انرژی حاصل از انفجار که موجب بهبود عملکرد سازه در مقابل بار انفجاری میشود، در نظر گرفته شد. سازه موردنظر با استفاده از نرمافزار المان محدود ABAQUS مدل سازی گردید و در شبیه سازی عددی انفجار از مقادیر مختلف ماده منفجره و فواصل متفاوت محل وقوع آن استفاده شد. خاک محل یکبار خاک چسبنده رسی و یکبار خاک دانهای ماسهای سخت در نظر گرفته شد.
نتایج حاصل نشان می دهند که خاک ماسه ای سخت نسبت به خاک رسی توانایی بیشتری در جذب و استهلاک انرژی حاصل از انفجار دارا میباشد. بررسی کرنش و پاسخ تغییرمکان سازه نشان داد که سازه مدفون در خاک ماسهای سخت نسبت به سازه مدفون در خاک رسی تغییرمکان کمتری داشته و رفتار بهتری از خود نشان میدهد. همچنین نتایج حاصل نشان داد که تنشهای ایجادشده در سازه مدفون در خاک ماسهای سخت کمتر از تنشهای ایجادشده در سازه مدفون در خاک رسی است.
-1 مقدمه
بارهای ناشی از انفجار میتوانند سبب ایجاد خسارتهای شدید در سازههای مهندسی عمران شوند. در مقایسه با سایر تهدیدها نظیر زلزله و طوفان، انفجار عملکرد و تأثیر متفاوتی بر روی سازهها دارد. از ویژگیهای اصلی بار انفجاری میتوان به اتفاقی بودن موقعیت انفجار، دینامیکی و گذرا بودن نیروها و زمان تأثیر اندک اشاره کرد
با توجه به اینکه طراحی سازهها در برابر انفجارهای بزرگ غیرعملی است، طراحان با روشهای متفاوت خسارتهای ناشی از انفجار را کاهش میدهند. ازجمله این راهکارها، استفاده از سازههای مدفون میباشد. برای کاهش آسیب پذیری سازههای امن نظیر پناهگاه معمولاً آنها را به عمق مناسبی از زمین منتقل میکنند تا از انسانها و تجهیزات موجود در آنها هنگام وقوع انفجار حفاظت کنند. در سازههای امن مدفون نظیر پناهگاههای زیرزمینی که در مجاورت خاک قرار دارند و احتمال تجربه بار انفجاری برای آن ها پیش بینیشده است، سیستم سازهای بکار رفته حائز اهمیت میباشد. سیستم سازهای بتن مسلح به دلیل مقاومت بالا در محیطهایی که امکان خوردگی وجود دارد میتواند یک گزینه مناسب باشد
همچنین این سیستم سازهای نسبت به سیستم فولادی در برابر حرارت و آتشسوزی و نفوذ ترکش از مقاومت قابل توجهی برخوردار است. از معایب این سیستم سازهای میتوان به مقاومت کششی پایین و شکلپذیری کم اشاره کرد. البته پاسخ بتن در مقابل انفجار و بارگذاری ضربه متفاوت از بارگذاری استاتیکی است و به دلیل تأثیرات ناشی از روند تغییر کرنش مقاومتهای کششی و فشاری و همچنین سختی اولیه افزایش مییابند.
در طراحی سازههای امن تعیین میزان خطر موجود که بتوان سازه را برای یک سطح خطر معلوم و پیش بینی یک حد خسارت معقول طراحی کرد، از اهمیت خاصی برخوردار است. البته به دلیل طبیعت نوع تهدید و حمله احتمالی تعیین دقیق آن بسیار مشکل است. در این شرایط سازه بر اساس هدف اصلی ساخت آن، طراحی میگردد. سپس ملاحظات لازم برای مقاومت سازه در برابر انفجار در نظر گرفته میشود و در صورت لزوم طراحی تصحیح میشود.
در سالهای اخیر تحقیقات زیادی در مورد رفتار سازههای مدفون در برابر انفجار و تأثیر انفجار بر روی سازههای مدفون صورت گرفته است. لو و همکاران در سال 2005 به منظور تحلیل دینامیکی غیرخطی، مدلی برای توزیع فشار حاصل از انفجار در خاک ارائه کردهاند
در این پژوهش با استفاده از نرم افزار المان محدود AUTODYN و با کمک معادله حالت و مدل رفتاری مصالح، خاک و سازه در یک محیط مدل شده است که مزیت این مدل کاهش خطا و هزینه محاسباتی میباشد. در سال 2010 ناگی و همکاران مدلسازی عددی اثر انفجار سطحی روی سازه مدفون را انجام دادند .[ 4] آنها نیز از مدلی شبیه مدل پیشنهادی لو و ونگ برای مدلسازی هندسه مسئله استفاده کردند و برای صحت سنجی مدل ارائهشده، نتایج توزیع فشار حاصل از انفجار را با نتایج تجربی موجود در دستورالعمل TM5-855-1 مقایسه شده است
قلی زاد و رجبی در سال 1392 روشی به منظور مقاومسازی سازههای مدفون در برابر انفجار ارائه کردهاند . نتایج این تحقیق نشان داد که در انفجارهای سطحی بدون استفاده از یک محیط متخلخل در زیر دال ضد انفجار، این دال عملکرد مناسبی در بهبود رفتار سازه نخواهد داشت. در مورد انفجارهای زیرسطحی نیز نشان داده شد که استفاده از چاهکهای متعدد میتواند در جذب انرژی حاصل از انفجار و بهبود رفتار سازه مؤثر باشد. کومار و همکاران در سال 2014 به بررسی اثر اندرکنش خاک و سازه در سازه های نیمه مدفون پرداختند
در این مطالعه این نتیجه حاصل شد که عمق سازه مدفون، اثر اندرکنش خاک و سازه میزان کرنش در تعیین رفتار دینامیکی سازه بسیار مهم است. در سال 2015 چن و همکاران با استفاده از الیاف کربنی پلیمری - CFRP - به مقاوم سازی سازههای قوسی مدفون پرداختند
در این مطالعه تجربی، سازه تقوی ت شده تحت انفجارهای مختلف قرار گرفت و تأثیر روش مقاومسازی بکار رفته در کاهش خیز و تعیین مود شکست بررسی شد.
شبیهسازی عددی یک روش بسیار مناسب برای بررسی اثر انفجار روی سازههای مختلف است. این شبیهسازیها میتوانند با هزینه کم و دقت قابلقبول به بررسی اثر انفجار روی سازهها بپردازند. در این مطالعه با استفاده از نرمافزار المان محدود آباکوس [9] به بررسی اثر انفجار بر روی سازه مدفون موردنظر پرداخته شده است. دو نوع خاک رسی و ماسهای سخت برای بررسی اثر خاک محل بر رفتار سازه موردنظر، در نظر گرفتهشده است. سازه و خاک محل در نرمافزار مدل شده و تحت مقادیر مختلف ماده منفجره و فواصل متفاوت محل انفجار قرارگرفت.
-2 معرفی و مدلسازی سازه موردمطالعه
کلیه سازه مدفون در نظر گرفتهشده که بخشی از یک ساختمان است، یک سازه دوطبقه با دالها و دیوارهای بتنی مسلح می باشد که در شکل - 1 - نشان داده شده است. سازه در جهت x دارای دهانههای 9 متر و 7/25 متر و در جهت z دارای دهانه های 5/5 متر و 7/ 5 متر میباشد. ارتفاع طبقه اول و دوم به ترتیب 1/9 متر و 3/7 متر هستند. ضخامت دالها و دیوارها 30 سانتیمتر میباشد و آرماتورهای طولی و عرضی دیوارها به ترتیب دارای قطر 20 و 16 میلیمتر هستند.
شکل - 1 - سازه مدفون دو طبقه بتنی موردمطالعه
اتصال دالها و دیوارها به صورت گیردار کامل در نظر گرفته شد. این سازه در عمق 7/6 متری از سطح زمین احداث شده است و خاک محل به ضخامت 2 متر روی سازه وجود دارد و از اطراف نیز با خاک احاطهشده است. در شکل - 2 - خاک مدل شده در نرم افزار نشان داده شده است. اندرکنش خاک و سازه بتنی با استفاده از روش تماس پنالتی در نرم افزار تعریف شد. رفتار عمود بر هم از نوع Hard Contact و رفتار مماسی از نوع پنالتی و با ضریب اصطکاک 0/354 در نظر گرفتهشد.
شکل - 2 - مدلسازی خاک محل در اطراف و روی سازه مدفون
